RFCC提升管进料段气液固三相作用机制的数值模拟及实验研究

Developing Fluid Catalytic Cracking (FCC), especially Resid Fluid Catalytic Cracking (RFCC) process is one of the most important strategies of the middle & long-term energy development in China. Feed injection zone of RFCC riser is the key point of RFCC process. How to improve the flow characteristics in the feed injection zone is critical to strengthen riser performance. But limited to the process complexity, the gas-liquid-solid interaction mechanism in the feed injection zone of riser still lack quantitative understanding. In this project, the factors greatly influence the flow and reaction behaviors, i.e. agglomeration of catalysts, vaporization of droplets, as well as the collision and adsorption of droplets in catalysts will be deeply studied. A gas-liquid-solid three phase flow model will be proposed to describe the flow behaviors in the RFCC riser feed injection zone using numerical simulaiton combined with experimental study. Based on the flow model, a quantitative analysis method will be proposed to link the flow behaviors and reactor performance, which will be characterized by the product distribution. The simulation work is important to improve the riser peinrformance and highlight RFCC process intensification.

确保石油的战略储备地位，发展催化裂化（FCC）尤其是重油催化裂化（RFCC）工艺是中国能源中长期重要的发展战略。提升管反应器是RFCC过程的核心部分，而进料段则是提升管最重要、最复杂的部分，改善RFCC进料段的流动状况对提高反应器性能，增加轻油收率至关重要。但受过程复杂性限制，对进料段气液固三相作用机制的定量研究目前仍是具有挑战性的工作。本项目拟采用流体力学计算方法结合实验研究，深入探讨对提升管进料段内的流动及反应有重要影响的几个因素：颗粒团聚、雾滴气化及重油雾滴与催化剂的碰撞吸附，建立能够准确表征进料段内复杂的多相作用的气液固三相作用模型，揭示实际进料段内的流动特征。在此基础上，建立一种能够定量分析流动对反应器型性能影响的方法，最终以产品的轻油收率为指标，指导RFCC提升管反应器的过程强化。

提升管反应器是RFCC过程的核心部分，而进料段则是提升管最重要、最复杂的部分，改善RFCC进料段的流动状况对提高反应器性能，增加轻油收率至关重要。但受过程复杂性限制，对进料段气液固三相作用机制的定量研究目前仍是具有挑战性的工作。本项目对非气化组分含量不同的原油进行FCC实验，并采用流体力学计算方法结合实验研究，深入探讨对提升管进料段内的流动及反应有重要影响的几个因素：颗粒团聚、雾滴气化及重油雾滴与催化剂的碰撞吸附，耦合气固、气液和液固间作用力建立了能够准确表征进料段内复杂的多相作用的气液固三相作用模型，揭示实际进料段内的流动特征。结果表明，原料中的非气化组分对反应结果影响很大，饱和烃含量和H/C 较大的石蜡基质原料油更适宜FCC 反应，而环烷基质原料中非气化组分含量较高，使产品分布变差，需掺炼其它原料提高汽油产率。模拟结果提升管内气化组分的气化速率很快，在20 mm，0.1 s内便完全气化，对于2-3 s的催化裂化反应可以忽略；非气化组分和催化剂间的的传质速率也很快，在提升管底部2 m内雾滴基本完全吸附于催化剂颗粒，对整体气液固流动影响很小；液固传质对催化剂上重组分的含量影响很大，催化剂上重组分含量在提升管底部约为4 wt%以上，到高度10 m处降低到2.5 wt%左右，这部分重组分的存在会影响整体的催化裂化反应效果。